香港城市大学 李扬扬 Angew：氟掺杂的高价高熵层状双金属氢氧化物用于高效、持久的锌-空气电池

香港城市大学李扬扬团队在Angew发表研究，通过制备氟掺杂的高价高熵层状双金属氢氧化物（FeCoNi?F?(OH)?），实现了高效、持久的锌-空气电池（ZAB）性能。具体研究内容如下：研究背景与目标锌-空气电池（ZAB）的潜力挖掘依赖于高效稳定的双功能催化剂，需同时优化析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）。高价氧化物（HVOs）和高熵氧化物（HEOs）因电子结构优势成为候选，但合成难度高。研究通过多离子共沉淀法低成本制备含氟高价高熵层状双氢氧化物（HV-HE-LDH，FeCoNi?F?(OH)?），解决合成难题并提升催化性能。材料设计与合成结构创新：F?被嵌入氢氧化物层中，形成稳定八面体几何结构（M-O(F)?），强化金属-氧键（M-O），防止结构重组。合成方法：采用多离子共沉淀法，实现Fe3?、Co2?、Ni2?与F?、OH?的混合反应，形成均匀分布的阳离子和阴离子结构。性能提升机制OER活性增强：光谱检测与理论模拟显示，高价金属阳离子扩大了金属3d与O 2p的能带重叠，提升电子传导性和电荷转移效率。ORR活性优化：构建高效三相反应界面，促进氧气快速运输，显著提高ORR反应动力学。长期稳定性：强化的M-O键和稳定结构使催化剂在1050次充放电循环后效率仍保持58.8%（初始为60.6%@10 mA cm?2）。电池性能验证能量效率：使用FeCoNi?F?(OH)?@HCC（疏水性碳布）阴极的ZAB在10 mA cm?2下往返能量效率达60.6%。循环稳定性：经过1050次充放电循环后，电池效率仅衰减至58.8%，远超传统催化剂性能。理论模拟支持活性来源：理论计算表明，高价金属阳离子与F?的协同作用优化了电子结构，降低OER反应能垒。稳定性机制：M-O(F)?结构的强键合作用抑制了催化过程中的结构坍塌，确保长期稳定性。研究意义方法创新：多离子共沉淀法为HV-HE-LDH的规模化制备提供了可行路径，降低生产成本。性能突破：FeCoNi?F?(OH)?在能量效率、循环寿命和成本效益上均优于传统催化剂（如Pt/C||RuO?），推动ZAB商业化进程。论文信息原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202410978通讯作者：香港城市大学Yang Yang Li团队。